Заблуждение трением

Трение является одним из парадоксальных физических эффектов и трудно сказать, что от него больше – вреда или пользы. С одной стороны оно действительно часто бывает вредным, а с другой стороны как без трения смог бы ходить человек, двигаться автомобили, поезда и другой транспорт. А если бы все таки двигались, то как без трения они смогли бы остановиться. В общем получается, что пользы от трения все же больше. Однако, несмотря на это, судостроители его очень не уважают и считают одним из главных факторов, ограничивающих скорость движения судов, особенно водоизмещающего типа. Ими применяются масса всяких ухищрений для его снижения, однако заметных побед пока не достигнуто.

Но вот недавно на http://www.cnews.ru/news/line/index.shtml?2011/08/25/452605 была опубликована статья под интригующим названием «Корабли заскользят по океану без трения». В ней говорится, что инженеры из Университета Дюка (США) (если кто помнит старый анекдот, где фигурирует «китайский» летчик Ли Си Цын, то далее поймет) обнаружили возможность значительно повысить экономичность и скорость морских судов, заставляя воду «оставаться на месте». В оригинале с ней можно познакомиться по указанной ссылке, я же буду приводить ее кусками по мере их необходимости для комментариев.

«Корабли расходуют много энергии, «расталкивая» по мере продвижения вперед воду вокруг корпуса, - объясняет профессор электротехники и вычислительной техники Ярослав Уржумов. – Разработанное нами покрытие снижает массу «расталкиваемой» жидкости к минимуму. Вода снаружи нашего покрытия остается неподвижной, и поскольку отсутствует поперечная сила, судну не приходится «тащить» с собой лишний вес воды. Таким образом корабль экономит значительное количество топлива».

Суть явления, которое удалось победить ученым, в следующем: при движении через жидкость судно вытесняет и толкает определенный объем жидкости, который значительно превышает объем самого судна. Это происходит потому, что в вязкой среде, в том числе и воде, объект не может двигаться только сквозь один слой воды, не затрагивая другие слои – поперечные силы привлекают дополнительную массу воды к корпусу.

Вообще-то это не сосем так. Именно размещение движителей в кормовой части судна создает условия для возникновения сил сопротивления движению. Так, при работе движителей, в кормовой части суда создается зона пониженного давления, а на его носовую часть действуют соответствующие силы лобового давления. Преодолевая его и раздвигая массу воды, корпус судна создает систему волн, приводящую к появлению волнового сопротивления, принципиально ограничивающего скорость движения судна известным соотношением Фруда. При движении судна на его корпус действуют силы трения, также противодействующие движению. Сумма этих основных сил и создает мощное сопротивление движению судов. И дополнительная масса воды при этом играет не самую большую роль.

Попробуем ориентировочно оценить, о каких массах идет речь, ибо когда начинаешь считать, то наступает просветление в мозгах. Для примера возьмем корабль средних размеров подводной части – длина 100м, ширина 10м, осадка 5м, и движущийся также с достаточно средней скоростью 36 км/час (10 м/с). При этом он будет вытеснять 10х5х10= 500м3 воды в секунду. И этот объем воды двумя потоками должен пройти вдоль бортов корпуса и замкнуться за кормой корабля, потеряв затем до нуля свою скорость. И этот объем по известному условию неразрывности потока не может быть меньше или больше, ибо и в водном балансе дебет должен сходиться с кредитом. Ведь при большем количестве вытесняемой воды она должна где-то накапливаться и образовывать «водяные горы». При меньшем же количестве «запихиваемой» обратно ранее вытесненной воды за корпусом судна должна образовываться пустота, которую природа не терпит. Из этого следует, что эту массу воды нельзя уменьшить или увеличить, а можно только каким-то образом изменить степень ее влияния на корпус судна.

Это явление можно наблюдать, например, при попытке тянуть за веревку объект, плывущий по воде: вы почувствуете, что приходится прилагать намного большие усилия, чем требует объект данного веса. Это связано с тем, что вы тянете вместе с объектом дополнительный объема воды.

Все правильно, это явление давно известно и называется присоединенной массой. Но рост усилия зависит не только от веса объекта, но в значительной мере и от его формы. Ведь если тянуть плоскую пластину ребром в направлении движения, то заметного роста усилия не будет, т.к. присоединенная масса будет мала, а сопротивление будет определяться только трением о боковую поверхность пластины. Но если ее двигать плоской поверхностью вперед, то придется манипулировать большими присоединенными массами воды, которые и приведут к весьма заметному росту сопротивления движению. И эта составляющая общего сопротивления движению называется сопротивлением формы, хотя на самом деле сопротивление формы имеет более сложную структуру. Ну а сама масса присоединенной воды зависит от площади поперечного сечения корпуса и скорости его перемещения, что было показано в предыдущем комментарии, и как из него видно, эти массы могут быть весьма внушительны.

Ярослав Уржумов предлагает покрыть поверхность судна специальным пористым материалом, пронизанным отверстиями и каналами. В определенных местах на корпусе будут размещаться крошечные насосы, направляющие потоки воды вдоль осей различных сил. Цель состоит в создании потоков воды, проходящих сквозь пористый материал с той же скоростью, что и окружающая судно вода, стремящаяся «приклеиться» к судну. В результате между корпусом судна и океаном образуется своеобразная «зона спокойствия», которая уменьшает расход энергии на выталкивание огромной массы воды. Автор изобретения представляет себе покрытие в виде пористой структуры или решетки, квадратные ячейки которой выполняют роль лопастей, ориентирующих поток воды в определенном направлении, создавая тем самым необходимое сопротивление и подъемную силу. Кроме того, некоторые из ячеек этой решетки будут оснащены микронасосами, обеспечивающими управление характеристиками покрытия. По расчетам Уржумова, энергия, затраченная микронасосами, будет значительно меньше сэкономленной благодаря скольжению без лишней массы «прицепившейся» к судну воды.

Ну а эта сентенция профессора электротехники и вычислительной техники совсем не понятна. Ведь если скорость формируемого около поверхности судна потока будет равна скорости окружающей воды, то за счет чего между корпусом судна и океаном образуется «зона спокойствия».

На мой взгляд, в этом случае к окружающему потоку просто добавляется тоненький слой сформированного потока, отчего окружающий поток станет немного толще, но точно также будет взаимодействовать с корпусом судна. А если учесть, что покрытие является пористым и шершавым, то трение даже увеличится.

К сожалению авторы не говорят, какую толщину должен иметь предлагаемый ими к формированию поток и какими средствами он обеспечивается. Возьмем для оценки 2 значения –1 мм и 1 см. Будем считать высоту боковой поверхности корпуса в развертке на плоскости 10 м, тогда площадь боковой поверхности при указанной выше его длине 100м составит 10х100х2 =2000 м2. Объем воды в формируемом потоке и при указанной выше скорости 10 м/с составит: для потока толщиной 1мм – 2 м3/с, а для потока толщиной 1 см– 20 м3/с. И чтобы обеспечить потоки таких объемов, «микронасосам» придется очень и очень хорошо поработать. Ну а говорить о создании этим потоком толщиной в «тетрадный листок» подъемной силы и ее влиянии на судно весом в несколько тысяч тонн, по моему мнению, просто несерьезно.

Таким образом, на мой взгляд, данное техническое решение вполне годится для очередной диссертации или патента, но есть большие сомнения, что оно обеспечит значительное повышение экономичности и скорости морских судов и тем самым найдет практическое применение.

Вопросы же снижения сил сопротивления движению судов, повышения их мореходных характеристик и снижения энергозатрат актуальны до сих пор. И основная проблема заключается в том, что уже в течение многих десятков лет мировая традиционная гидромеханика не располагает эффективными способами существенного их улучшения. Поэтому поиск и реализация предложений и технических решений, основанных на новых принципах, которые позволили бы скачкообразно улучшить характеристики водоизмещающих судов в несколько раз (или хотя бы весьма существенно по сравнению с мировым уровнем) являются более чем актуальной задачей и в настоящее время.

Вот такое решение в конце прошлого века предложили тогда еще ленинградские изобретатели Т.Ф.Савельев и М.Я.Масленков. Авторы предложили комплексно и целенаправленно повторить техническими средствами ряд реально существующих в природе и частично описанных в научно-технической литературе физических эффектов. При этом составляющие сил сопротивления либо существенно ослабляются, либо меняют свое направление и помогают движению. Это позволит в несколько раз увеличить скорость движения судов, снизить их энергозатраты, повысить мореходные и эксплуатационные характеристики. Движители у судов новой конструкции конструктивно располагаются на носовой части корпуса под острым углом к диаметральной плоскости судна, несколько изменяется и традиционная форма корпуса, благодаря чему:

- перед носовой частью судна создается прогиб водной поверхности и зона пониженного давления, что приводит к появлению сил кормового давления, направленных в сторону движения;

- упорные струи от винтов не прижимаются к корпусу и за ними образуется попутный поток; за счет эжекции в упорные струи попутный поток приобретает скорость большую, чем скорость судна, что приводит к появлению сил трения, но направленных уже в сторону движения и способствующих ему;

- забор воды в носовой части и попутный поток вдоль корпуса в направлении движения ликвидируют волнообразование и судно движется в спокойной воде, при этом снимается принципиальное ограничение скорости, обусловленное волновым сопротивлением;

- судно приобретает высокую курсовую устойчивость и высокую маневренность, при этом развороты можно производить практически на месте;

- при неработающих движителях в условиях внешнего волнения судно разворачивается носом к волнам и движется навстречу им, что способствует повышению его живучести и непотопляемости.

Таким образом, в данном техническом решении движители, создаваемые ими упорные струи и корпус судна взаимодействуют как единое целое, значительно ослабляя силы сопротивления движению или же вообще меняя их направление и помогая движению. В этом случае уже можно говорить о едином комплексе движитель - корпус судна, в отличие от судов традиционного типа, где движителю приходится преодолевать силы сопротивления, создаваемые им самим и корпусом судна.

Большим плюсом судов по данному техническому решению будет существенное улучшение практически всех их характеристики, в то время как у судов традиционной конструкции улучшения одних характеристик приходится добиваться компромиссным ухудшением других характеристик.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано при проектировании и построении водоизмещающих судов практически всех существующих типов, а недостижимые ранее технические характеристики позволят создавать суда нового назначения.

Однако за многие годы переписки с российскими судостроителями различных мастей и высокими государственными чинами так и не удалось никого заинтересовать этими идеями. Видимо у отечественных инноваторов и модернизаторов совершенно другие задачи и реальное укрепление отечественной промышленности и обороноспособности страны не вписывается в их планы. Теперь приходится искать зарубежных спонсоров-инвесторов, которым они могут быть интересны и которые окажут содействие в их практической реализации. А это может быть и Китай, которому нужно все, и Индия, которая заинтересована даже больше Китая в сохранении военно-политического баланса в регионе. Это и Австралии, Новая Зеландия и Сингапур, которые достаточно успешно развивают свое скоростное судостроение. Это и Франция, которая может захотеть заменить свой весьма экзотический концепт нового корабля. Это и Италия, имеющая большой опыт строительства кораблей и подводных аппаратов различного назначения, и др. Так пусть хоть кому-то мои идеи будут приносить пользу, раз у себя в стране они оказались не нужны. По мнению некоторых специалистов, если по данному техническому решению получится повысить мореходные характеристики хотя бы процентов на 10-20, то и это будет большой успех. А если реализуются все обещанные в данном техническом решении параметры, то это будет настоящая революция в судостроении. Жаль только, если это в очередной раз будет не в России.